I en verden, hvor automatiske lagre og produktionsfaciliteter bliver hverdag, er en nøjagtig styring af hver komponent af afgørende betydning. Downtime er et fy-ord, og de autonome robotter og køretøjer kræver præcis styring, som ikke må fejle. Det kræver igen en omhyggelig monitering af batterierne af hensyn til både funktion og levetid. Analog Devices har udviklet et BMS-system (Batteri Management-Systemer) til netop disse applikationer
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 10 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer, diagrammer og tabeller
(læs originaludgaven her)
Af Rafael Marengo, system applikationsingeniør, Analog Devices Inc.
Valg af en egnet batteripakke med et tilhørende batteri management-system (BMS) er kritisk i designet af en autonom mobil robot (AMR). I de tæt pakkede miljøer i lagre og moderne produktionsfaciliteter, hvor hver kvadratcentimeter og hvert sekund tæller, er en pålidelig funktion af alle komponenter af afgørende betydning.
BMS-løsninger kan levere præcise målinger for op- og afladning af batterierne i en AMR, så kapaciteten bruges fuldt ud. Præcise målinger fører til en eksakt beregning af battericellernes ladningsstatus (state-of-charge, SoC) og afladningsdybde (DoD), der begge er vitale parametre for at opnå smartere arbejdsflow for de mobile robotter. Lige så vigtigt er sikkerhedsaspekterne i disse systemer, og robotternes BMS-teknologier skal derfor også sikre beskyttelse mod overopladning og overstrømme i applikationerne.
BMS er et elektronisk system til tæt monitering af forskellige parametre i en batteripakke og/eller batteriets individuelle celler. Systemet er kritisk for at opnå den maksimale kapacitet i batterierne med en samtidig sikker og pålidelig drift. Desuden kan et BMS udlæse vigtige parametre som cellespændinger, SoC, DoD, helbredstilstand (state-of-health, SoH), temperatur og strømme, der alle kan bruges til at få den bedste ydelse ud af systemet.
SoC, DoD og SoH er blandt de vigtigste parametre i et BMS til at afgøre, om systemet er sundt, sladre tidligt om fejl, ældning af cellerne og forventet resterende levetid for batteriet. SoC er defineret af ladningsniveauet i batteriet i forhold til den totale kapacitet og måles derfor i procent fra 0 procent for et fladt batteri til 100 procent for fuldt opladet. SoH er defineret af batteriets maksimale kapacitet (Cmax), der kan udtrækkes i forhold til den nominelle kapacitet. DoD er den modsatte måling af SoC og fortæller om den procentdel af batterikapaciteten, der er blevet afladet (Creleased relativt til det nominelle Crated).
Er det relevant for en AMR-løsning?
SoC for et batteri varierer med batteriarkitekturen, hvorfor det er nødvendigt at have et nøjagtigt system til måling af batteriets tilstand. Normalt er Li-Ion- og blybatterier de foretrukne til autonome robotter, hver med sine fordele og ulemper og en række underkategorier. Generelt ses Li-Ion som det bedste til robotter, da Li-Ion har følgende kvaliteter:
● Større energitæthed som regel 8-10 x over blysyrebatterier.
● Li-Ion-batterier er altså lettere end blysyrebatterier med samme kapacitet.
● Ladetiden for blysyre er længere end for et Li-Ion-batteri.
● Li-Ion-batterier har en længere levetid med betragteligt flere op- og afladecyklusser.
Det er dog fordele, som medfører en højere pris og nogle helt egne udfordringer, som skal overvindes, hvis man skal udnytte kemiens potentiale fuldt ud.
For bedre at forstå en real-life applikation kan vi se på plottet i figur 2, der sammenligner DoD for et blysyre- med et Li-Ion-batteri. Man kan se, at pakkespændingen varierer minimalt for et Li-Ion-batteri ved en DoD mellem 0 procent og 80 procent. Netop 80 procent af DoD er den nedre grænse for et Li-Ion-batteri, da al afladning under 20 procent af nominel kapacitet skal ses som et faretruende lavt niveau. Da batteripakkespændingen for et Li-Ion-batteri kun ændrer sig minimalt inden for det brugbare område, så ville selv en lille målefejl for batterispændingen kunne medføre en betydelig forringelse af batteriets ydelse og levetid.
Illustration af et real-life scenarie
Vi kan jo forestille os en AMR med et 24V-system, som bruger en 27,2V LiFePo4 batteripakke, hvor hver celle har en cellespænding på 3,4V i fuldt opladet tilstand (figur 3). Den gængse profil for SoC i sådan et batteri kan ses i tabellen i figur 6.
For LiFePo4-batterier varierer det brugbare ladningsområde, men som tommelfingerregel kan man sige, at minimum SoC er 10 procent og maksimum 90 procent. Alt under et 10 procent niveau kan føre til en intern kortslutning af batteriet, mens opladning over 90 procent reducerer levetiden for denne batteritype.
Med henblik på tabellen i figur 6 læg så mærke til, at spændingsområdet for hver celle er på 350mV, hvilket for en 27,2V batteripakke med otte celler svarer til 3,2V. Det fører til følgende konklusioner: Hvis det brugbare spændingsområde for en LiFePo4-battericelle er 350mV, så reducerer hver 1mV af målefejl på cellen rækkevidden med 0,28 procent. Og hvis en batteripakke koster 4000USD, så giver det en økonomisk fejl på forsyningen på 4000USD × 0.28 procent = 11,20USD/mV fejl, hvad der vil være en meget dyr underudnyttelse af et batterisystem.
Selv om 0,28 procent lyder af meget lidt, så bliver det en betragtelig mængde, når man opskalerer til multiple AMR-systemer, hvor fejlen skal multipliceres med hundreder eller måske tusinder. Fejlen forstærkes, hvis den naturlige ældning og dermed degradering af batterierne også kommer med i betragtning.
Den naturlige degradering spiller også en vigtig rolle for batteriets helbred, da den maksimale SoC for et batteri vil forringes (figur 4), hvorfor en præcis måling af cellerne er den bedste måde at sikre sig, at ydelsen for batteriet bliver holdt på et optimalt niveau, selv når den naturlige degradering tages med i betragtning.
Monitering af alle parametre og en præcis styring af batteriets brug er altså den bedste måde at udvide batteriets levetid til den maksimale og få glæde af hver eneste coulomb af ladning i cellerne.
Sådan kan ADI’s BMS-løsninger løfte produktiviteten og løse problemerne
Så hvilke teknologier kan ADI’s BMS-løsning give for at forbedre og opnå den høje ydelse i mobile robotapplikationer? Jo, præcisionen i BMS’en kan i høj grad forbedre effektiviteten i batterier gennem meget præcise målinger på cellerne for at give en mere detaljeret styring og estimering af SoC på tværs af forskellige batterikemier. Måling på hver celle individuelt giver en sikker monitering af batteriets helbred. Den præcise monitering letter en balanceret opladning og forhindrer cellerne i overopladning og utilsigtet afladning. Desuden øger de synkrone strøm- og spændingsmålinger præcisionen af de opsamlede data. En ekstremt hurtig overstrømsdetektering detekterer hurtigt fejl og kan udløse nødstop af hensyn til sikkerhed og pålidelighed.
ADBMS6948 leverer alle de nøglespecs, som mobile robotter kræver, men nogle få specs er kritiske inden for BMS-designovervejelser i mobile robotter:
● Lille total målefejl (TME) over den samlede levetid, (-40°C til +125°C).
● Simultan og kontinuert måling af cellespændinger.
● Indbygget isoSPI-interface.
● Hot-plug tolerant uden yderligere ekstern beskyttelse.
● Passiv cellebalancering.
● Low-power cellemonitering (LPCM) for celle- og temperaturmonitering i key-off tilstand.
● Lavt sleep-mode strømtræk.
Reduktion af spild hjælper miljøet
Ifølge International Energy Agency’s 2023 rapport for batterier, ”er batterier væsentlige komponenter i overgangen til rene energiforsyninger”. Det er vigtigt at anerkende betydningen af en korrekt håndtering af batterier som ressourcer. De materialer, der udgør et batteri er svære at udvinde og genanvende fra miljøet, så en optimal anvendelse er af afgørende betydning. Gennem en effektiv styring af op- og afladningsparametre kan man forlænge levetiden for batterierne, så de kan anvendes i længere perioder uden behov for udskiftninger.
Den lave risikofaktor gennem den overstrømsbeskyttelse, som ADI’s BMS-funktion giver, garanterer en sikker drift og minimerer risici for skader på såvel batteri som det system, der er tilsluttet som belastning.
Nogle få eksempler på de degraderingsfaktorer, der kendetegner Li-Ion-batterier kan ses i figur 5, og det er vigtigt at notere sig, at disse faktorer kan føre til potentielt farlige situationer som selvantændelse og eksplosion, hvilket kan brede sig og forårsage yderligere katastrofer.
Alle de parametre, der påvirker batteridegraderingen, kan måles, forebygges eller forhindres, hvilket sikrer systemet de mest optimale forhold at arbejde under i hele systemets levetid. Forøgelse af batteriets levetid er en vital faktor i reduktionen af affald, da batterier med den rigtige BMS-løsning kan anvendes længere og mere optimalt, hvad der i længden minimerer unødig bortskaffelse af battericeller, der ellers kunne have haft en længere funktionstid.
Et veldesignet BMS øger derfor ikke kun systemets effektivitet, men minimerer også omkostninger og affaldsmængde. I et stadigt mere automatiseret produktionsmiljø er selv nogle få procents forbedret ydelse i mobile robotter gennem en præcis styring af komponenter og batterier derfor ganske betydningsfuldt for såvel miljø som konkurrenceevne.
Billedtekster:
Figur 1: Diagram over en AMR.
Figur 2: Batteripakkespændingens niveau i forhold til DoD.
Figur 3: AMR’s generiske batteri- og BMS-arkitektur.
Figur 4: Reduktion af den maksimale brugbare rækkevidde som følge af naturlig degradering.
Figur 5: De primære degraderingsfaktorer for Li-Ion-batterier.
Figur 6: Tabel med eksempel på data for LiFePo4 battericelle- og batteripakkespænding.
